現(xiàn)代接入網(wǎng)技術(shù) 課件 第9章廣域網(wǎng)接入技術(shù)

第9章廣域網(wǎng)接入技術(shù)

概述5G接入技術(shù)NB-IoT9.1概述寬帶無(wú)線接入是信息和通信技術(shù)（InformationandCommunicationTechnology，ICT）領(lǐng)域的一個(gè)非常重要的分支，它能夠有效地利用無(wú)線頻率資源為用戶提供方便、快捷的高速無(wú)線數(shù)據(jù)服務(wù)。寬帶無(wú)線接入技術(shù)是推動(dòng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及智能終端爆發(fā)式增長(zhǎng)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，而移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及智能終端的快速發(fā)展也會(huì)推動(dòng)寬帶無(wú)線接入技術(shù)的快速發(fā)展。

經(jīng)過(guò)幾十年的飛速發(fā)展，移動(dòng)通信已發(fā)展成應(yīng)用最普及的信息通信技術(shù)，全球滲透率接近100%。目前，移動(dòng)通信已經(jīng)融入社會(huì)生活的每個(gè)角落，深刻地改變了人們的溝通、交流乃至生活方式。與此同時(shí)，全球移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)也突飛猛進(jìn)，不僅創(chuàng)造出數(shù)萬(wàn)億元規(guī)模的市場(chǎng)規(guī)模，還推動(dòng)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能終端的飛速發(fā)展，成為推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高社會(huì)信息化水平的重要引擎。9.1.1國(guó)際移動(dòng)通信發(fā)展歷程移動(dòng)通信領(lǐng)域一直保持著每10年出現(xiàn)新一代技術(shù)的規(guī)律。從1979年第一臺(tái)模擬蜂窩移動(dòng)電話系統(tǒng)試驗(yàn)成功至今，移動(dòng)通信已經(jīng)經(jīng)歷了5個(gè)時(shí)代，每一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的誕生都有其特定應(yīng)用需求，并且不斷采用創(chuàng)新技術(shù)推動(dòng)整體性能的快速提升。第1代移動(dòng)通信（1G）出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，首次采用蜂窩組網(wǎng)方式，能夠?yàn)橛脩籼峁┠M語(yǔ)音業(yè)務(wù)，但其業(yè)務(wù)能力和系統(tǒng)容量都十分有限，而且價(jià)格昂貴。大約10年之后，第2代移動(dòng)通信（2G）誕生，2G首次采用了數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)，不僅能夠提供高質(zhì)量的移動(dòng)通話，而且能夠同時(shí)支持短信息和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并使得移動(dòng)通信成本大幅下降，成為普通老百姓用得起的技術(shù)。2000年左右，在互聯(lián)網(wǎng)浪潮的推動(dòng)下，第3代移動(dòng)通信（3G）應(yīng)運(yùn)而生，3G的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2Mbit/s至數(shù)十Mbit/s，能夠支持視頻電話等移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)。此后，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能終端的爆發(fā)式增長(zhǎng)，3G的傳輸能力越來(lái)越不能滿足需求。2010年左右，第4代移動(dòng)通信（4G/LTE）技術(shù)出現(xiàn)，其峰值數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)100Mbit/s，能夠支持各種移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可以較好地滿足移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需求。2015年6月，ITU正式確定了5G名稱、場(chǎng)景和時(shí)間表；WRC15會(huì)議則討論并歸納了可能的頻譜資源；3GPP也于2015年年底啟動(dòng)了5G的標(biāo)準(zhǔn)化工作，并在2018年完成了第一個(gè)正式版本的獨(dú)立組網(wǎng)5G標(biāo)準(zhǔn)（3GPPR15）。5G是面向新的移動(dòng)通信需求而發(fā)展的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，5G系統(tǒng)的最大改變就是可實(shí)現(xiàn)人與物、物與物之間的通信。

9.1.2我國(guó)移動(dòng)通信發(fā)展情況2019年6月6日，工業(yè)和信息化部正式發(fā)放5G商用牌照，標(biāo)志著我國(guó)正式進(jìn)入5G時(shí)代。我國(guó)要力爭(zhēng)在5G的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域發(fā)揮主導(dǎo)作用，從5G設(shè)備、芯片、解決方案、終端等5G基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)，到汽車及鐵路等移動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用，展示了綜合性的愿景。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)在國(guó)際移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP（3rdGenerationPartnershipProject，第三代合作伙伴計(jì)劃）中已具備較高的話語(yǔ)權(quán)，主導(dǎo)了TD-SCDMA和TD-LTE的標(biāo)準(zhǔn)化。在2017年12月初，由我國(guó)通信企業(yè)牽頭設(shè)計(jì)的面向5G獨(dú)立組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（SA）的5G系統(tǒng)架構(gòu)和流程標(biāo)準(zhǔn)制定完成，這標(biāo)志著全面實(shí)現(xiàn)5G目標(biāo)的新架構(gòu)確定。2017年12月底，3GPP的非獨(dú)立組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)被凍結(jié)。在5G標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中，中國(guó)人在標(biāo)準(zhǔn)化組織中擔(dān)任的關(guān)鍵職位有30余個(gè)，投票權(quán)超過(guò)23%，文稿數(shù)量占30%，牽頭項(xiàng)目占40%，我國(guó)5G標(biāo)準(zhǔn)話語(yǔ)權(quán)得到提升。在產(chǎn)業(yè)化方面，我國(guó)已建立具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的完整移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)鏈。在系統(tǒng)設(shè)備方面，華為和中興通訊已排名全球第一和第四，大唐和烽火公司（烽火通信科技股份有限公司）重新組建后成為全球排名第五的系統(tǒng)設(shè)備商；華為、小米（小米科技有限責(zé)任公司）、OPPO（OPPO廣東移動(dòng)通信有限公司）、vivo（vivo隸屬于廣東步步高電子工業(yè)有限公司）等7家國(guó)內(nèi)終端企業(yè)已進(jìn)入全球前十；海思（海思半導(dǎo)體有限公司）、展訊（展訊通信有限公司）等在移動(dòng)芯片方面也已進(jìn)入世界前列。

9.1.3NB-IoT出現(xiàn)隨著智能城市、大數(shù)據(jù)時(shí)代的來(lái)臨，無(wú)線通信將實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物連接。很多企業(yè)預(yù)計(jì)未來(lái)全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將是千億級(jí)的時(shí)代。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了大量物與物的互聯(lián)，然而這些互聯(lián)大多通過(guò)藍(lán)牙、Wi-Fi等短距離通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并非通過(guò)運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。為了滿足不同的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)特征和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，3GPP根據(jù)窄帶業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景開展了增強(qiáng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)功能的技術(shù)研究，以適應(yīng)蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求。我們正進(jìn)入萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，這對(duì)于整個(gè)移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)，這一點(diǎn)在2016年的世界移動(dòng)大會(huì)上展露無(wú)遺。無(wú)論是運(yùn)營(yíng)商，還是設(shè)備商巨頭，都紛紛展示了完整的物聯(lián)網(wǎng)解決方案和在不同垂直行業(yè)的應(yīng)用。

9.25G接入技術(shù)4G接入技術(shù)的速率雖然比3G更快，但現(xiàn)階段的速率提升不過(guò)19倍左右，應(yīng)用模式也沒有根本性的變化，其實(shí)并沒有給用戶帶來(lái)太深刻的感受。但是，5G的綜合性性能將會(huì)比4G提升千倍，在這種超高速移動(dòng)通信網(wǎng)咯的支撐下，將會(huì)誕生許多全新的應(yīng)用，會(huì)徹底改變移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)，將是移動(dòng)通信的一場(chǎng)革命。5G的數(shù)據(jù)傳輸速率將高達(dá)10Gbit/s，5G的入網(wǎng)設(shè)備將會(huì)大幅度增多，“萬(wàn)物互聯(lián)”會(huì)成為5G的時(shí)代特征。智能家居、智能汽車、智能交通等，智能移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將徹底改變我們的生活方式。5G的最大特點(diǎn)并不是網(wǎng)速的進(jìn)步，而是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器、大數(shù)據(jù)技術(shù)三者結(jié)合產(chǎn)生的爆炸效應(yīng)，這將是對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)的一次顛覆性革命。5G的關(guān)鍵技術(shù)

1．毫米波技術(shù)毫米波常用在雷達(dá)和衛(wèi)星領(lǐng)域中，一般不用于移動(dòng)通信領(lǐng)域，其主要原因是隨著波長(zhǎng)的變短，無(wú)線電波傳播的直線性會(huì)增強(qiáng)。2．微基站技術(shù)基站微型化會(huì)使設(shè)備密度增大，為避免產(chǎn)生基站之間的頻譜互擾現(xiàn)象，基站的輻射功率應(yīng)降低。這會(huì)使得手機(jī)的遠(yuǎn)近效應(yīng)不再明顯，手機(jī)開機(jī)時(shí)的功率控制步驟會(huì)簡(jiǎn)化，而且手機(jī)的輻射功率也會(huì)減小，在相同能量的情況下，待機(jī)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。3.大規(guī)模MIMO大規(guī)模MIMO其實(shí)就是基站與手機(jī)之間有多路信道并行通信，每隊(duì)天線都獨(dú)立傳送一路消息，經(jīng)匯集后可成倍的提高速率。4．波束賦形技術(shù)充分利用空間的無(wú)線電波束賦形技術(shù)是一種空間復(fù)用技術(shù)，可以大幅增大基站的服務(wù)容量。5．同時(shí)同頻全雙工技術(shù)它通過(guò)對(duì)收發(fā)信號(hào)進(jìn)行處理，可使雙工通信建立在同時(shí)同頻的基礎(chǔ)上，理論上信道容量可以增大為原來(lái)的2倍。6.M2M技術(shù)M2M是機(jī)器多機(jī)器通信或人對(duì)機(jī)器通信的簡(jiǎn)稱，主要指通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳遞信息從而進(jìn)行機(jī)器與機(jī)器或人與機(jī)器的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)機(jī)器之間的互聯(lián)互通。7．D2D技術(shù)D2D（終端到終端通信）是在系統(tǒng)的控制下，終端之間通過(guò)復(fù)用小區(qū)資源直接進(jìn)行通信的一種技術(shù)，這種技術(shù)無(wú)須基站轉(zhuǎn)接，可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換或服務(wù)提供。

1．室外廣域覆蓋

室外廣域覆蓋是移動(dòng)通信系統(tǒng)最基本的覆蓋方式，即為移動(dòng)用戶提供連續(xù)的、無(wú)縫的移動(dòng)業(yè)務(wù)，以用戶的移動(dòng)性和業(yè)務(wù)的連續(xù)性作為基本目標(biāo)。

5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)典型覆蓋場(chǎng)景

2.室內(nèi)熱點(diǎn)覆蓋室內(nèi)熱點(diǎn)覆蓋主要指在城市區(qū)域的高檔寫字樓、星級(jí)酒店、大型商務(wù)娛樂游樂場(chǎng)等，以提供高速數(shù)據(jù)傳輸和大流量密度為目標(biāo)。3．低功耗數(shù)據(jù)采集低功耗數(shù)據(jù)采集是4G向5G演進(jìn)過(guò)程中心拓展的場(chǎng)景，主要針對(duì)基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、智慧水務(wù)、森林防火等的以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用需要。4.低時(shí)延物聯(lián)網(wǎng)控制低時(shí)延物聯(lián)網(wǎng)控制也是5G新拓展的場(chǎng)景，主要針對(duì)基于工業(yè)4.0的應(yīng)用需求，如無(wú)人駕駛汽車、無(wú)人工廠等。5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)1．移動(dòng)性移動(dòng)性是移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)，是指在滿足一定系統(tǒng)性能的前提下，通信雙方的最大相對(duì)移動(dòng)速度。2．時(shí)延時(shí)延采用OTT或RTT來(lái)衡量，OTT是指發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)到接收端接收數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，RTT是指從發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)開始到發(fā)送端收到來(lái)自接收端的確認(rèn)信息的時(shí)間間隔。3．用戶感知速率5G時(shí)代將構(gòu)建以用戶為中心的移動(dòng)生態(tài)信息系統(tǒng)，首次將用戶感知速率作為網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)。4.峰值速率峰值速率是指用戶可以獲得的最高業(yè)務(wù)速率，相比4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信系統(tǒng)將進(jìn)一步提升峰值效率，可以達(dá)到數(shù)十Gbit/s。5.連接數(shù)密度5G時(shí)代存在大量的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，要求網(wǎng)絡(luò)具備超千億臺(tái)設(shè)備的連接能力。6.流量密度流量密度是指單位面積內(nèi)的總流量數(shù)，用來(lái)衡量移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在一定區(qū)域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸能力。7．能源效率能源效率是指每消耗單位能量可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，能源消耗主要指基站和移動(dòng)終端的發(fā)送功率，以及整個(gè)移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)備所消耗的功率。

9.2.65G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)原則1．高度的智能性實(shí)現(xiàn)承載和控制相分離，支持用戶面和控制面獨(dú)立擴(kuò)展與演進(jìn)，基于集中控制功能，實(shí)現(xiàn)多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋場(chǎng)景下的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)智能優(yōu)化和高效管理。2．網(wǎng)元和架構(gòu)配置的靈活性物理節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)功能解耦，重點(diǎn)關(guān)注網(wǎng)絡(luò)功能的設(shè)計(jì)，物理網(wǎng)元配置則可靈活采取多種手段，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行靈活配置。3．建設(shè)和運(yùn)維成本的高效性5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)維成本是一個(gè)龐大的數(shù)目，只有在成本方面具有高效性的設(shè)計(jì)方案才能得到商用，成本目標(biāo)是5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中首要考慮的目標(biāo)。根據(jù)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)原則，在實(shí)際5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要依次考慮5G無(wú)線邏輯架構(gòu)、5G無(wú)線部署架構(gòu)兩個(gè)層面。5G無(wú)線邏輯架構(gòu)是指根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用特性和需求，靈活選取網(wǎng)絡(luò)功能集合，明確無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能模塊之間的邏輯關(guān)系和接口設(shè)計(jì)。5G無(wú)線部署架構(gòu)是指從5G無(wú)線邏輯架構(gòu)到物理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的映射實(shí)現(xiàn)。9.2.75G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個(gè)多拓?fù)湫螒B(tài)、多層次類型、動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)，具有連接形態(tài)多樣化、平臺(tái)多樣化、承載方式多樣化、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣化等特點(diǎn)。1．連接形態(tài)多樣化在5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，無(wú)線設(shè)備節(jié)點(diǎn)連接形態(tài)將兼容多種形式，包括鏈狀連接（如中繼通信Relay、RRU基站級(jí)聯(lián)）、網(wǎng)狀連接（如基站設(shè)備之間的連接）、傘狀連接（如一個(gè)BBU與多個(gè)RRU的連接）、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接（如基站與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的連接）、D2D直通終端之間的連接等。2．平臺(tái)多樣化在5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，將增加各種新型網(wǎng)關(guān)、終端，設(shè)備平臺(tái)能力將更加多樣化。根據(jù)功能的不同，5G無(wú)線設(shè)備包括BBU+RRU分布式基站、室外一體化基站、室內(nèi)微基站、承載用戶和控制功能的各種網(wǎng)關(guān)設(shè)備等。根據(jù)設(shè)備平臺(tái)能力的不同，5G無(wú)線設(shè)備可分為專業(yè)平臺(tái)設(shè)備和虛擬化平臺(tái)設(shè)備。根據(jù)功率的不同，5G無(wú)線設(shè)備可分為大功率的BBU+RRU分布式基站、小功率微基站、RRU視頻模塊、超小功率的物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)、智能終端等。根據(jù)與用戶距離的不同，5G無(wú)線設(shè)備可分為智能終端、聚合網(wǎng)關(guān)、無(wú)源天線、有源天線、小功率微基站、射頻拉遠(yuǎn)模塊RRU、BBU資源池基站等。3．承載方式多樣化在5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，傳輸承載技術(shù)更加多樣化，不同的傳輸承載技術(shù)將用在不同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中。根據(jù)承載介質(zhì)的不同，傳輸承載包括無(wú)線承載和有線承載。無(wú)線承載技術(shù)具有應(yīng)用靈活、成本較低、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，但也存在帶寬有限、干擾較大等缺點(diǎn)。有線承載技術(shù)具有穩(wěn)定性好、帶寬較大等優(yōu)點(diǎn)，但也存在建設(shè)成本高、建設(shè)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案往往會(huì)綜合考慮多種承載技術(shù)。4．拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣化隨著5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用的頻段向更高的頻段發(fā)展，以及多種新型接入技術(shù)的商用和低功率即插即用基站的部署，5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將呈現(xiàn)出更好的靈活性，在同一地點(diǎn)的不同時(shí)間段會(huì)存在較大差異的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和節(jié)點(diǎn)間的層級(jí)關(guān)系。9.3NB-IoT5G、eMTC、NB-IoT、LoRa的比較NB-IoT系統(tǒng)預(yù)期能夠滿足在180kHz的傳輸帶寬下支持覆蓋增強(qiáng)（提升20dB的覆蓋能力）、超低功耗（5W·h電池可供終端使用10年）、巨量終端接入（單扇區(qū)可支持50000個(gè)連接）的非時(shí)延敏感（上行時(shí)延可放寬到10s以上）的低速業(yè)務(wù)（單用戶上行、下行速率至少為160bit/s）需求。NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)NB-IoT的部署方式（1）獨(dú)立部署，即Stand-alone模式，利用獨(dú)立的頻帶進(jìn)行部署，與LTE頻帶不重疊。（2